I. Hướng Dẫn Nghiên Cứu HIL Thủy Lực Tổng Quan Chi Tiết
Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, công tác kiểm tra và thử nghiệm công nghệ mới cần phát triển tương ứng. Đặc biệt, các ngành đòi hỏi an toàn cao như hàng không vũ trụ, chế tạo ô tô cần giai đoạn mô phỏng thử nghiệm. Mô phỏng càng trung thực, đánh giá càng chính xác. Tuy nhiên, mô phỏng số thường bỏ qua yếu tố nhiễu và tương tác bất lợi của môi trường, dẫn đến hỏng hóc khi chạy thực nghiệm. Công nghệ Hardware-In-the-Loop (HIL) ra đời để khắc phục hạn chế này. HIL là phương pháp mô phỏng thời gian thực, sử dụng phần cứng để mô phỏng vòng điều khiển. Nó cho thấy đáp ứng của bộ điều khiển trong thời gian thực, cung cấp cái nhìn tổng quan về rủi ro tiềm tàng, giúp nhà thiết kế hoàn thiện sản phẩm. Phần lớn HIL hiện nay vận hành bằng năng lượng thủy lực, giúp hệ thống có khả năng tải lớn, kết cấu tinh gọn và linh hoạt. Để tối ưu hóa hiệu quả của năng lượng thủy lực trên hệ thống HIL, nhiều giải pháp điều khiển đã được đưa ra. Hầu hết các sản phẩm HIL thương mại lựa chọn điều khiển bằng van servo, nhưng luận án này đề xuất hệ thống truyền động điện thủy lực (EHA), giải pháp tiết kiệm năng lượng.
1.1. Tìm Hiểu Về Hệ Thống Hardware In The Loop HIL Thủy Lực
Hệ thống Hardware-In-The-Loop (HIL) thủy lực đóng vai trò quan trọng trong mô phỏng và thử nghiệm các hệ thống điều khiển. Nó cho phép kiểm tra các thành phần phần cứng trong một môi trường mô phỏng thời gian thực, giúp phát hiện và khắc phục lỗi trước khi triển khai thực tế. Theo nghiên cứu, HIL ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như ô tô, hàng không vũ trụ và robot, mang lại hiệu quả cao trong việc giảm thiểu chi phí và thời gian phát triển sản phẩm. Các nhà thiết kế có thể sử dụng HIL thủy lực để đánh giá hiệu suất của hệ thống điều khiển, tối ưu hóa các thông số thiết kế và đảm bảo tính ổn định và an toàn của hệ thống trong các điều kiện vận hành khác nhau. Các công nghệ mới như mô phỏng thời gian thực và phản hồi thời gian thực đang được tích hợp vào hệ thống HIL thủy lực để nâng cao độ chính xác và hiệu quả của quá trình mô phỏng.
1.2. Ưu Điểm Của Ứng Dụng Truyền Động Điện Thủy Lực EHA Trong HIL
Truyền động điện thủy lực (EHA) mang lại nhiều ưu điểm khi ứng dụng trong hệ thống HIL. Theo Chen và cộng sự (2017), EHA có khả năng tái tạo năng lượng, giúp cải thiện hiệu suất làm việc của hệ thống. Đặc điểm chính của EHA là khả năng biến đổi tốc độ cao của động cơ điện thành tải lực lớn cho xy lanh. Bên cạnh đó, EHA cũng là một giải pháp hiệu quả để tiết kiệm năng lượng cho hệ thống. Các nghiên cứu gần đây cho thấy EHA đang được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi và phát triển thành một sản phẩm thương mại. Giải pháp EHA giúp các nhà nghiên cứu tiếp cận thiết kế hệ thống điều khiển một cách trực quan, góp phần nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống HIL thủy lực.
II. Bí Quyết Điều Khiển HIL Thuật Toán Mờ Trượt Thích Nghi
EHA có các đặc tính phi tuyến và không ổn định. Khó xác định mô hình động lực học chính xác cho hệ thống này. Vì vậy, cần thuật toán điều khiển phù hợp. Điều khiển mờ trượt thích nghi kết hợp ưu điểm từ điều khiển chế độ trượt và điều khiển logic mờ. Đây là phương pháp điều khiển bền vững cho hệ phi tuyến, giúp hạn chế hiện tượng rung lắc của kết cấu cơ khí. Nó không yêu cầu nắm được chính xác mô hình toán học của đối tượng được điều khiển, cho phép tiếp cận thiết kế hệ thống điều khiển một cách trực quan. Điều khiển mờ trượt thích nghi (AFSMC) giúp các kỹ sư dễ dàng điều chỉnh các thông số điều khiển và đạt được hiệu suất mong muốn trong các điều kiện vận hành khác nhau. Phương pháp này mang lại sự linh hoạt và độ tin cậy cao cho hệ thống HIL thủy lực.
2.1. Tại Sao Cần Thuật Toán Điều Khiển Mờ Trượt Thích Nghi AFSMC
Thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi (AFSMC) là lựa chọn phù hợp cho hệ thống HIL thủy lực vì khả năng xử lý các đặc tính phi tuyến và không ổn định của EHA. Theo các nghiên cứu, AFSMC giúp hạn chế hiện tượng rung lắc trong kết cấu cơ khí, đồng thời không yêu cầu mô hình toán học chính xác của đối tượng điều khiển. Điều này giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển. AFSMC cho phép điều chỉnh các thông số điều khiển một cách linh hoạt, đảm bảo hiệu suất tối ưu trong các điều kiện vận hành khác nhau. Ứng dụng AFSMC giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống HIL thủy lực trong quá trình mô phỏng và thử nghiệm.
2.2. Ưu Điểm Của AFSMC So Với Các Phương Pháp Điều Khiển Khác
So với các phương pháp điều khiển khác, AFSMC có nhiều ưu điểm vượt trội trong việc điều khiển hệ thống HIL thủy lực. Khác với các phương pháp điều khiển tuyến tính, AFSMC có khả năng xử lý các đặc tính phi tuyến của hệ thống một cách hiệu quả. So với điều khiển chế độ trượt truyền thống, AFSMC giúp giảm thiểu hiện tượng rung lắc. Đặc biệt, AFSMC không yêu cầu mô hình toán học chính xác của đối tượng điều khiển, giảm bớt gánh nặng tính toán và cho phép thiết kế hệ thống một cách trực quan hơn. Điều này giúp AFSMC trở thành lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống HIL thủy lực phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao. Các kỹ sư có thể tận dụng AFSMC để tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống một cách dễ dàng và hiệu quả.
III. Top Hệ Thống HIL Mô Phỏng Chuyển Động Phân Tích Chi Tiết
HIL là công nghệ tiềm năng, đặc biệt trong mô phỏng chuyển động, cốt lõi của nhiều ngành công nghiệp trọng điểm như ô tô, hàng không vũ trụ, đóng tàu. Các hệ thống HIL dùng trong mô phỏng chuyển động rất đa dạng, nhưng phổ biến nhất vẫn là mô hình hexapod với chân đế cố định liên kết với tấm nền dịch chuyển thông qua 6 trục truyền động song song. Các sản phẩm HIL mô phỏng chuyển động nổi bật có thể kể đến như mô hình của Toyota, Exsim và Olsen. Mỗi hệ thống có ưu và nhược điểm riêng. Mô hình hexapod là cấu trúc tối ưu nhất, giúp thể hiện linh hoạt khả năng chuyển động của vật thể. Kết hợp với bộ truyền thủy lực, hệ thống có khả năng thực hiện mô phỏng với tải lớn, ứng dụng linh hoạt lên nhiều đối tượng mô phỏng khác nhau.
3.1. Mô Hình HIL Hexapod Cấu Trúc Tối Ưu Cho Mô Phỏng Chuyển Động
Mô hình HIL hexapod được đánh giá là cấu trúc tối ưu nhất cho mô phỏng chuyển động vì khả năng thể hiện linh hoạt các chuyển động của vật thể. Cấu trúc hexapod bao gồm sáu trục truyền động song song, cho phép tái tạo chính xác các chuyển động tịnh tiến và quay trong không gian ba chiều. Theo nghiên cứu, sự kết hợp với bộ truyền thủy lực đảm bảo hệ thống có khả năng thực hiện mô phỏng với tải lớn, ứng dụng linh hoạt lên nhiều đối tượng khác nhau. Các kỹ sư có thể sử dụng mô hình HIL hexapod để kiểm tra và tối ưu hóa các hệ thống điều khiển chuyển động phức tạp, đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của hệ thống trong quá trình vận hành. Hệ thống HIL thủy lực cho phép điều khiển đồng thời cả sáu bậc tự do, giúp tái tạo các chuyển động thực tế một cách chân thực và hiệu quả.
3.2. So Sánh Ưu Nhược Điểm Của Các Hệ Thống HIL Thương Mại
Trên thị trường hiện nay có nhiều hệ thống HIL thương mại khác nhau, mỗi hệ thống có ưu nhược điểm riêng. Mô hình của Toyota có khả năng mô phỏng linh hoạt với tải trọng lớn, nhưng hệ thống phức tạp và tốn kém. Mô hình VR5 của Exsim có kết cấu đơn giản và chi phí thấp, nhưng số lượng trục dẫn động bị hạn chế. Mô hình của Olsen có cấu trúc đơn giản và khả năng mô phỏng linh hoạt, nhưng hiệu suất truyền động chưa cao. Theo phân tích, việc lựa chọn hệ thống HIL phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và ngân sách của dự án. Các kỹ sư cần cân nhắc kỹ lưỡng các yếu tố như tải trọng, độ chính xác, số lượng bậc tự do và chi phí để lựa chọn hệ thống HIL tối ưu nhất cho nhu cầu của mình.
IV. Nghiên Cứu HIL Thủy Lực Hexapod Mục Tiêu Và Phạm Vi
Luận án này tập trung vào nghiên cứu hệ thống HIL thủy lực kết cấu song song hexapod. Mục tiêu là tìm hiểu tổng quan về HIL dùng hệ thống truyền động thủy lực, phân tích động học thuận và nghịch của hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do, mô hình hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do, thiết kế hệ thống điều khiển mờ trượt thích nghi cho cơ cấu và mô phỏng và đánh giá kết quả mô phỏng hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do với hệ thống điều khiển mờ trượt thích nghi. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô phỏng động lực học và bộ điều khiển của hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do.
4.1. Phân Tích Động Học Thuận Và Nghịch Trong HIL Thủy Lực
Phân tích động học thuận và nghịch là một bước quan trọng trong việc thiết kế và điều khiển hệ thống HIL thủy lực. Động học thuận xác định vị trí và hướng của nền tải dựa trên độ dài của các xy lanh. Động học nghịch xác định độ dài của các xy lanh cần thiết để đạt được một vị trí và hướng cụ thể của nền tải. Các kết quả phân tích động học được sử dụng để xây dựng mô hình toán học của hệ thống và thiết kế bộ điều khiển. Theo các nghiên cứu, việc phân tích chính xác động học giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống HIL, đảm bảo khả năng tái tạo các chuyển động một cách chân thực và hiệu quả. Hệ thống điều khiển có thể được thiết kế dựa trên các phương trình động học để đảm bảo rằng nền tải di chuyển theo quỹ đạo mong muốn.
4.2. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Mờ Trượt Thích Nghi Cho HIL
Thiết kế hệ thống điều khiển mờ trượt thích nghi là một phần quan trọng của luận án. Mục tiêu là tạo ra một bộ điều khiển có khả năng điều khiển chính xác hệ thống HIL trong các điều kiện vận hành khác nhau. Hệ thống điều khiển được thiết kế dựa trên các phương trình động học của hệ thống và các nguyên tắc của điều khiển mờ trượt thích nghi. Theo các nghiên cứu, điều khiển mờ trượt thích nghi giúp giảm thiểu hiện tượng rung lắc và đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Bộ điều khiển được mô phỏng và đánh giá để đảm bảo rằng nó đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và độ tin cậy. Các kỹ sư có thể sử dụng hệ thống điều khiển này để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống HIL và đảm bảo rằng nó hoạt động một cách an toàn và hiệu quả.
V. Kết Cấu Cơ Khí HIL Thủy Lực Tổng Quan Về Các Thành Phần
Kết cấu cơ khí của mô hình HIL hexapod thủy lực gồm phần đế cố định và phần nền tải di chuyển nhờ vào sự thay đổi độ dài của 6 xy lanh truyền động gắn song song được điều khiển bởi một bơm servo hai chiều thông qua mạch thủy lực vòng kín EHA. Các thành phần cơ khí chính của hệ thống gồm bơm servo, xy lanh thủy lực, khớp nối các đăng và khớp nối cầu. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả của hệ thống. Xy lanh thủy lực chịu trách nhiệm chuyển đổi năng lượng thủy lực thành chuyển động cơ học. Bơm servo điều khiển lưu lượng dầu thủy lực đến các xy lanh. Khớp nối các đăng và khớp nối cầu cho phép các xy lanh di chuyển một cách linh hoạt.
5.1. Chi Tiết Về Bơm Servo Và Ứng Dụng Trong Hệ Thống HIL
Bơm servo là một thành phần quan trọng trong hệ thống HIL thủy lực. Bơm servo sử dụng động cơ servo AC và có khả năng đáp ứng nhanh về lưu lượng và áp suất với độ chính xác rất cao. Theo các nghiên cứu, bơm servo giúp điều khiển chính xác chuyển động của các xy lanh, đảm bảo rằng hệ thống HIL hoạt động theo đúng yêu cầu. Động cơ servo AC của bơm bao gồm stator, rotor và encoder. Encoder ghi nhận và chuyển đổi tín hiệu quay của rotor thành các dạng tín hiệu khác phục vụ cho việc giám sát và điều khiển. Bơm servo có độ chính xác cao, vận hành êm ái và chịu được dòng điện lớn, thích hợp ứng dụng trong công nghiệp.
5.2. Vai Trò Của Xy Lanh Thủy Lực Và Các Khớp Nối Trong HIL
Xy lanh thủy lực là thiết bị chấp hành quan trọng trong hệ thống HIL. Thiết bị này được sử dụng để chuyển đổi năng lượng của dầu thành động năng để tạo ra tải lực. Các xy lanh thủy lực được sử dụng trong hệ thống là loại xy lanh hai chiều bao gồm các bộ phận chính như piston, ống xy lanh và cần piston. Khớp nối các đăng thường được dùng để nối các trục có sự sai lệch tâm. Trong kết cấu HIL hexapod, khớp nối các đăng được dùng để nối ống xy lanh truyền động với chân đế cố định. Khớp nối cầu đảm nhận nhiệm vụ kết nối cần piston của xy lanh truyền động và phần nền tải dịch chuyển, cho phép một trong hai chi tiết được ghép nối thực hiện ba bậc tự do quay so với chi tiết còn lại.
